Simulation-based inference of black hole ringdowns in the time domain
Abstract: Gravitational waves emitted by a ringing black hole allow us to perform precision tests of general relativity in the strong field regime. With improvements to our current gravitational wave detectors and upcoming next-generation detectors, developing likelihood-free parameter inference infrastructure is critical as we will face complications like nonstandard noise properties, partial data and incomplete signal modeling that may not allow for an analytically tractable likelihood function. In this work, we present a proof-of-concept strategy to perform likelihood-free Bayesian inference on ringdown gravitational waves using simulation based inference. Specifically, our method is based on truncated sequential neural posterior estimation, which trains a neural density estimator of the posterior for a specific observed data segment. We setup the ringdown parameter estimation directly in the time domain. We show that the parameter estimation results obtained using our trained networks are in agreement with well-established Markov-chain methods for simulated injections as well as analysis on real detector data corresponding to GW150914. Additionally, to assess our approach's internal consistency, we show that the density estimators pass a Bayesian coverage test.
- B. P. Abbott et al. (LIGO Scientific, Virgo), Phys. Rev. Lett. 116, 061102 (2016a), arXiv:1602.03837 [gr-qc] .
- N. Yunes, K. Yagi, and F. Pretorius, Phys. Rev. D 94, 084002 (2016), arXiv:1603.08955 [gr-qc] .
- R. Abbott et al. (LIGO Scientific, Virgo), Phys. Rev. D 103, 122002 (2021a), arXiv:2010.14529 [gr-qc] .
- R. P. Kerr, Phys. Rev. Lett. 11, 237 (1963).
- W. Israel, Commun. Math. Phys. 8, 245 (1968).
- B. Carter, Phys. Rev. Lett. 26, 331 (1971).
- S. A. Teukolsky, Class. Quant. Grav. 32, 124006 (2015), arXiv:1410.2130 [gr-qc] .
- C. V. Vishveshwara, Nature 227, 936 (1970).
- K. D. Kokkotas and B. G. Schmidt, Living Rev. Rel. 2, 2 (1999), arXiv:gr-qc/9909058 .
- E. Berti, V. Cardoso, and A. O. Starinets, Class. Quant. Grav. 26, 163001 (2009), arXiv:0905.2975 [gr-qc] .
- S. A. Teukolsky, Phys. Rev. Lett. 29, 1114 (1972).
- E. Berti, V. Cardoso, and C. M. Will, Phys. Rev. D 73, 064030 (2006), arXiv:gr-qc/0512160 .
- E. Barausse and T. P. Sotiriou, Phys. Rev. Lett. 101, 099001 (2008), arXiv:0803.3433 [gr-qc] .
- H. Siegel, M. Isi, and W. M. Farr, Phys. Rev. D 108, 064008 (2023), arXiv:2307.11975 [gr-qc] .
- M. Punturo et al., Class. Quant. Grav. 27, 194002 (2010).
- B. P. Abbott et al. (LIGO Scientific), Class. Quant. Grav. 34, 044001 (2017), arXiv:1607.08697 [astro-ph.IM] .
- S. Gossan, J. Veitch, and B. S. Sathyaprakash, Phys. Rev. D 85, 124056 (2012), arXiv:1111.5819 [gr-qc] .
- S. Kumar, A. H. Nitz, and X. J. Forteza,  (2022), arXiv:2202.12762 [astro-ph.IM] .
- K. Cranmer, J. Brehmer, and G. Louppe, Proceedings of the National Academy of Science 117, 30055 (2020), arXiv:1911.01429 [stat.ML] .
- A. J. K. Chua and M. Vallisneri, Phys. Rev. Lett. 124, 041102 (2020), arXiv:1909.05966 [gr-qc] .
- S. R. Green, C. Simpson, and J. Gair, Phys. Rev. D 102, 104057 (2020), arXiv:2002.07656 [astro-ph.IM] .
- S. R. Green and J. Gair, Mach. Learn. Sci. Tech. 2, 03LT01 (2021), arXiv:2008.03312 [astro-ph.IM] .
- J. Veitch et al., Phys. Rev. D 91, 042003 (2015), arXiv:1409.7215 [gr-qc] .
- G. Ashton and C. Talbot, Mon. Not. Roy. Astron. Soc. 507, 2037 (2021), arXiv:2106.08730 [gr-qc] .
- G. Ashton et al., Nature 2, 10.1038/s43586-022-00121-x (2022), arXiv:2205.15570 [stat.CO] .
- L. London and E. Fauchon-Jones, Class. Quant. Grav. 36, 235015 (2019), arXiv:1810.03550 [gr-qc] .
- S. Bhagwat and C. Pacilio, Phys. Rev. D 104, 024030 (2021), arXiv:2101.07817 [gr-qc] .
- D. P. Kingma and M. Welling, arXiv e-prints , arXiv:1312.6114 (2013), arXiv:1312.6114 [stat.ML] .
- C. Doersch, arXiv e-prints , arXiv:1606.05908 (2016), arXiv:1606.05908 [stat.ML] .
- M. Isi and W. M. Farr,  (2021), arXiv:2107.05609 [gr-qc] .
- G. Papamakarios and I. Murray, Advances in neural information processing systems 29 (2016), arXiv:1605.06376 [stat.ML] .
- D. Greenberg, M. Nonnenmacher, and J. Macke, in International Conference on Machine Learning (PMLR, 2019) pp. 2404–2414, arXiv:1905.07488 [cs.LG] .
- M. Deistler, P. J. Goncalves, and J. H. Macke, Advances in Neural Information Processing Systems 35, 23135 (2022), arXiv:2210.04815 [stat.ML] .
- P. Jaranowski, A. Krolak, and B. F. Schutz, Phys. Rev. D 58, 063001 (1998), arXiv:gr-qc/9804014 .
- I. Kamaretsos, M. Hannam, and B. Sathyaprakash, Phys. Rev. Lett. 109, 141102 (2012a), arXiv:1207.0399 [gr-qc] .
- L. T. London, Phys. Rev. D 102, 084052 (2020), arXiv:1801.08208 [gr-qc] .
- E. Berti and A. Klein, Phys. Rev. D 90, 064012 (2014), arXiv:1408.1860 [gr-qc] .
- https://dcc.ligo.org/ligo-p1800370/public (2022).
- G. Carullo, W. Del Pozzo, and J. Veitch, pyRing: a time-domain ringdown analysis python package, git.ligo.org/lscsoft/pyring (2023).
- https://johnveitch.github.io/cpnest/.
- S. R. Cook, A. Gelman, and D. B. Rubin, Journal of Computational and Graphical Statistics 15, 675 (2006).
- K. Karchev, R. Trotta, and C. Weniger 10.1093/mnras/stac3785 (2022), arXiv:2209.06733 [astro-ph.CO] .
- I. M. Romero-Shaw et al., Mon. Not. Roy. Astron. Soc. 499, 3295 (2020), arXiv:2006.00714 [astro-ph.IM] .
- F. Hofmann, E. Barausse, and L. Rezzolla, Astrophys. J. Lett. 825, L19 (2016), arXiv:1605.01938 [gr-qc] .
- https://gwosc.org/gwtc-1/ (2020).
- R. Abbott et al. (LIGO Scientific, Virgo), Astrophys. J. Lett. 900, L13 (2020a), arXiv:2009.01190 [astro-ph.HE] .
- M. Isi and W. M. Farr,  (2022), arXiv:2202.02941 [gr-qc] .
- R. Abbott et al. (LIGO Scientific, Virgo), Phys. Rev. Lett. 125, 101102 (2020b), arXiv:2009.01075 [gr-qc] .
- E. Finch and C. J. Moore, Phys. Rev. D 106, 043005 (2022), arXiv:2205.07809 [gr-qc] .
- M. Branchesi et al., JCAP 07, 068, arXiv:2303.15923 [gr-qc] .
- M. Vallisneri, Phys. Rev. D 77, 042001 (2008), arXiv:gr-qc/0703086 .
- J. D. Hunter, Computing in Science & Engineering 9, 90 (2007).
- M. L. Waskom, Journal of Open Source Software 6, 3021 (2021).
- D. George and E. A. Huerta, Phys. Rev. D 97, 044039 (2018), arXiv:1701.00008 [astro-ph.IM] .
Paper Prompts
Sign up for free to create and run prompts on this paper using GPT-5.
Top Community Prompts
Collections
Sign up for free to add this paper to one or more collections.